日前，國(guó)際著名科學(xué)雜志《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）發(fā)表了一篇專題文章，詳細(xì)介紹了我國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在單細(xì)胞生物學(xué)研究領(lǐng)域的一項(xiàng)最新技術(shù)成果：中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過程研究所單細(xì)胞中心（以下簡(jiǎn)稱單細(xì)胞中心）和青島星賽生物科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱星賽生物）合作發(fā)明了拉曼流式檢測(cè)技術(shù)pDEP-DLD-RFC，該技術(shù)基于介電誘導(dǎo)確定性側(cè)向位移，可高效完成單細(xì)胞聚焦、捕獲/釋放，針對(duì)人體細(xì)胞（腫瘤）、植物（微藻）、酵母和細(xì)菌等多種細(xì)胞類型具有廣譜適用性。
《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）相關(guān)文章頁面截圖
據(jù)悉，基于此星賽生物即將推出的升級(jí)版FlowRACS儀器，為活體單細(xì)胞代謝表型組的高通量檢測(cè)提供了全新工具，研究小組已經(jīng)開發(fā)了一系列應(yīng)用，廣泛適用于腫瘤細(xì)胞分類、微藻合成過程監(jiān)控、產(chǎn)油酵母多表型監(jiān)控、細(xì)菌藥敏性檢測(cè)等生命科學(xué)研究的重點(diǎn)高精尖領(lǐng)域。
活體單細(xì)胞代謝表型組流式檢測(cè)技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史
活體單細(xì)胞代謝表型組的流式檢測(cè)，在微生物資源挖掘、細(xì)胞工廠篩選、酶元件表征、生物過程監(jiān)控、臨床診療等方面，具有共性的支撐作用。此前，熒光流式和質(zhì)譜流式作為常用手段被廣泛接受，但經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的驗(yàn)證，二者均在不同方面有其技術(shù)的局限性。
其中，熒光流式受限于對(duì)生物標(biāo)志物需有先驗(yàn)知識(shí)，并引入熒光標(biāo)記探針來識(shí)別生物標(biāo)志物——但許多細(xì)胞都沒有可靠的生物標(biāo)志物，如微生物群，無論是在基因上還是在生物分子上，都不能就其多數(shù)功能進(jìn)行普遍標(biāo)記，且可能存在強(qiáng)熒光干擾問題。另一方面，質(zhì)譜流式涉及到細(xì)胞破碎，難以耦合目標(biāo)單細(xì)胞的下游分選、培養(yǎng)或測(cè)序等單細(xì)胞組學(xué)技術(shù)。
于是，新的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。與熒光流式和質(zhì)譜流式等現(xiàn)有流式細(xì)胞檢測(cè)手段相比，拉曼流式具有無需標(biāo)記細(xì)胞、活體檢測(cè)、信息量豐富等優(yōu)勢(shì)，因此是一種具有廣闊應(yīng)用前景的細(xì)胞分析手段。
但是，新技術(shù)的誕生必將伴隨實(shí)際應(yīng)用帶來的陣痛。高通量拉曼流式技術(shù)的應(yīng)用受限于：首先，如何提高樣品的普適性，以適用于不同細(xì)胞類型與不同表型的檢測(cè)；其次，如何提高檢測(cè)的通量，以實(shí)現(xiàn)高度異質(zhì)性細(xì)胞群體的深度檢測(cè)；最后，如何提高運(yùn)行的穩(wěn)定性，以支撐高度可靠的儀器使用流程。
活體單細(xì)胞代謝表型組檢測(cè)新技術(shù)
針對(duì)上述問題，單細(xì)胞中心王喜先、任立輝、刁志鈿、何曰輝等帶領(lǐng)的研究小組發(fā)明了“介電誘導(dǎo)確定性側(cè)向位移實(shí)現(xiàn)單細(xì)胞聚焦、捕獲/釋放的拉曼流式檢測(cè)技術(shù)”（Positive Dielectrophoresis Induced Deterministic Lateral Displacement-based Raman Flow Cytometry，pDEP-DLD-RFC）。
《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）文章頁面中，關(guān)于拉曼流式細(xì)胞檢測(cè)技術(shù)原理的插圖
首先，新技術(shù)采取的是寬流場(chǎng)高流量的進(jìn)樣策略。其能夠有效防止細(xì)胞沉降，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行（＞5小時(shí)），但是此策略帶來的問題就是如何在寬流場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)快速、精準(zhǔn)地對(duì)高速流動(dòng)的單個(gè)細(xì)胞進(jìn)行一一捕獲，且不會(huì)漏檢，也就是如何保證拉曼檢測(cè)的高效率和高準(zhǔn)確性。
因此，團(tuán)隊(duì)又通過介電誘導(dǎo)細(xì)胞確定性側(cè)向位移，實(shí)現(xiàn)了寬場(chǎng)中細(xì)胞高效聚焦地流經(jīng)檢測(cè)位點(diǎn)，從而保證了拉曼檢測(cè)效率。最后，通過施加檢測(cè)時(shí)間依賴的周期性介電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞的快速捕獲/釋放，以滿足各種不同細(xì)胞類型的普適性、高通量檢測(cè)。
FlowRACS中介電誘導(dǎo)細(xì)胞確定性側(cè)向位移實(shí)拍
周期性介電場(chǎng)中單細(xì)胞的快速捕獲/釋放實(shí)拍
生物過程監(jiān)控及腫瘤/微生物細(xì)胞分類研究的新工具
基于上述關(guān)鍵技術(shù)突破，星賽生物即將推出的升級(jí)版FlowRACS兼具廣譜通用性、高通量、運(yùn)行穩(wěn)定性等性能的高通量拉曼流式檢測(cè)系統(tǒng)，并開發(fā)了一系列應(yīng)用：腫瘤細(xì)胞分類、微藻合成過程監(jiān)控、產(chǎn)油酵母多表型監(jiān)控、細(xì)菌藥敏性檢測(cè)。這套全新的細(xì)胞檢測(cè)分選技術(shù)和儀器設(shè)備系統(tǒng)，將能極大提升相關(guān)領(lǐng)域的科研效率和能力。
在腫瘤細(xì)胞類型的快速區(qū)分場(chǎng)景中，基于SCRS(單細(xì)胞拉曼光譜)中信息豐富的指紋區(qū)，以膀胱癌、肺癌、腎細(xì)胞癌、乳腺癌等細(xì)胞株為例，證明流式拉曼技術(shù)耦合拉曼組機(jī)器學(xué)習(xí)算法，能以平均>95%的準(zhǔn)確率，完成腫瘤細(xì)胞類型的快速判別。該方法對(duì)于腫瘤細(xì)胞質(zhì)量檢測(cè)等應(yīng)用具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。
在植物生物制造過程的代謝監(jiān)控場(chǎng)景中，基于共振拉曼信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了雨生紅球藻中蝦青素含量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而示范了單細(xì)胞精度的蝦青素累積過程細(xì)胞工廠代謝狀態(tài)的監(jiān)控，并考察了“高光”和“缺氮”等條件對(duì)細(xì)胞蝦青素累積速度及其同步性的影響。其蝦青素含量檢測(cè)速度達(dá)～2700 events/min，為目前最高的自發(fā)拉曼檢測(cè)/分選通量。
在酵母生物制造過程的代謝監(jiān)控場(chǎng)景中，基于非共振拉曼信號(hào)，示范了油脂酵母中細(xì)胞代謝活力、甘油三脂含量、油脂不飽和度等多個(gè)關(guān)鍵代謝表型的同步動(dòng)態(tài)監(jiān)控，進(jìn)而通過拉曼組機(jī)器學(xué)習(xí)、拉曼組內(nèi)關(guān)聯(lián)分析（Intra-Ramanome Correlation Analysis，IRCA）等算法，實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞代謝狀態(tài)（準(zhǔn)確率＞96%）的實(shí)時(shí)鑒定，以及細(xì)胞內(nèi)代謝物相互轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)重建。
在細(xì)菌藥敏性的流式快檢場(chǎng)景中，基于單細(xì)胞中心前期提出的重水飼喂單細(xì)胞拉曼藥敏原理，以大腸桿菌和多種常見抗生素為例，開發(fā)了流式藥敏快檢技術(shù)，并通過與拉曼藥物應(yīng)激條形碼（Raman Barcode for Cellular Stress-response，RBCS）、IRCA、拉曼組機(jī)器學(xué)習(xí)等算法，證明該流式藥敏快檢技術(shù)還能實(shí)時(shí)地判斷單菌體精度的藥物應(yīng)激狀態(tài)、構(gòu)建細(xì)胞內(nèi)代謝物相互轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)等，從而揭示細(xì)菌-藥物互作機(jī)制。此外，流式檢測(cè)大大提高了藥敏檢測(cè)中SCRS取樣深度，對(duì)于識(shí)別群體中通常占比很低的耐藥細(xì)胞，具有重要的意義。
與轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和代謝物組相比，拉曼組能表征單細(xì)胞精度的底物代謝、產(chǎn)物合成、環(huán)境應(yīng)激性、化合物相互轉(zhuǎn)化等關(guān)鍵代謝表型，而具廣譜適用、活體、無損、非標(biāo)記、全景式表型、可分辨復(fù)雜功能、快速、低成本、能耦合下游測(cè)序、質(zhì)譜或培養(yǎng)等優(yōu)勢(shì)，因此拉曼組是一種更接近于“功能”、更適合于臨床、工業(yè)等場(chǎng)景的單細(xì)胞表型組。
為了支撐人體、動(dòng)植物和微生物拉曼組數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集與分析，單細(xì)胞中心與星賽生物基于pDEP-DLD-RFC技術(shù)，星賽生物即將推出升級(jí)版FlowRACS儀器，將大大加速拉曼組平臺(tái)的推廣應(yīng)用。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202207497
